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1、基于感应叠加技术重频脉冲源的实验研究冯德仁1，罗进1，徐笑娟1，黄锐1，杨涛1，于成大2（1.安徽工业大学，安徽马鞍山 243002； 2.中国人民解放军63961部队，朝阳区安外北苑1号，北京100012)The research of the repetitive frequency pulse based on the hydrogen thyratron inductive-adderFeng Deren1, Luojin1, Xu Xiaojuan1, Huangrui1, Yangtao1, Yu Chengda2(1.Anhui University of Technology,
2、 Maanshan 243002, China; 2. 63961 forces, PLA, No.1, AnWai beiyuan of Chaoyang district, Beijing 100012, China)8ABSTRACT:The repetitive frequency of high voltage large current with sub-microsecond arising time has been widely used in the field of production and scientific research. The pulse source
3、is generally selected gas spark switch for the large current and high voltage. Because of the recovery property of gas ionization, it is hard to get the repeated switch-on and switch-off in high frequency towards the ordinary gas spark switch. Consider the special structure of hydrogen thyratron; it
4、 has reliably trigger and faster arising time pulse, which is suitable for the switch with repetitive frequency pulse. This paper introduce the theory that use the hydrogen thyratron switch in the lower operating voltage.KEYWORDS:Hydrogen-thyratron，Inductive-adder,Repetition frequency pulse摘要：具有亚微秒上
5、升前沿的高压脉冲源一般选用气体火花开关，由于气体电离的恢复特性，普通气体火花开关难以做到较高频率下的重复导通和可靠精准的触发。文章介绍了一种采用氢闸流管开关实现5路双指数波输出的重频脉冲源，脉冲间隔最小为50s并能以10s为步长调节，脉冲的重复频率为20Hz。该脉冲源通过感应叠加方式实现输出电压的提升，同时采用多脉冲源等间距延时输出实现重频；文中分析了感应叠加输出方式对脉冲前后沿的影响，以及重频脉冲与单脉冲在频域内的分布情况；介绍了感应叠加输出方式的同轴屏蔽结构设计，给出了输出变压器的磁场分布，最后给出并分析了部分实验结果。关键词：氢闸流管；感应叠加；频谱分析；重频脉冲；同步触发；数字信号处理
6、器0引言近年来，随着电力系统电压等级的不断提高和继电保护设备微电子化、多功能化与小型化，快速暂态过电压(VFTO)引起的过电压事故（如大容量设备的高频通断控制、自然界如雷电入侵等）更加突出。这些电磁干扰不但强度大，其重复频率也相当高。因此,为保障电力系统安全稳定运行，对电力系统和继电保护设备进行强电磁环境干扰效应实验，分析、预测电子系统在强电磁环境中的抗干扰能力，从而进行必要的加固防护具有重要的理论和实际意义。在这些效应实验中，电力系统和继电保护设备在重频脉冲尤其是数十s时间间隔下的快速瞬变电磁脉冲群环境下的效应及其拓扑一直是人们感兴趣的研究对象。实际上，高重频电磁脉冲较单脉冲更接近真实的脉冲
7、电磁环境，如自然界雷电反复闪击、工业配电中的各种过电压等1。高重频效应实验技术包括如下几个方面：高重频脉冲功率技术、模拟电磁辐射其空间电磁场计算与设计技术和空间电磁场测量技术，其中高重频脉冲功率技术最为关键，为真实模拟电力系统的VFTO过程，要求脉冲功率源输出功率脉冲一般为双指数波形，其上升时间在20ns以内，电压幅值在50kV以上、脉冲串间隔一般在数十s。由于各种应用的需要，国内外对亚微秒上升前沿的高压大电流重频脉冲功率源技术均进行了大量的研究。如俄罗斯科学院大电流研究所（Institute of High- Current Electronics, IHCE）的SINUS系列加速器2-3，
8、是重频运行发展方向的典型代表，在国际脉冲功率领域居于领先地位。该装置选用气体火花开关作为主开关，一般都配有吹气装置。国内的中国工程物理研究院、西北核技术研究所和国防科技大学在重频脉冲源的技术研究方面走在前列，如中国工程物理研究院的CHP01装置4，西北核技术研究所的TPG7005以及国防科技大学的GW级紧凑重频脉冲发生器装置6。部分装置的性能指标达到了很高的水平。美中不足的是，这些脉冲发生器基本上采用气体火花开关，体积较大，结构复杂，并且由于气体电离恢复以及开关电极表面烧蚀等因素的制约，该开关在较高重复频率下难以做到稳定可靠的重复导通和关断。氢闸流管是一种热阴极低气压气体（氢气或氘气）放电器件
9、，其特点在于利用等离子体传导大电流却不出现明显的电极烧蚀现象，具有工作电压高、脉冲电流大、点火迅速稳定、触发电压低、重复频率高、重量轻、体积小、使用方便等优点。现在大功率的氢闸流管能够在数十致数百赫兹的重复频率和G瓦级的瞬时功率下工作103h以上。如EEV公司的某型氢闸流管，其阴阳极间耐压可达100kV，峰值电流可达100kA，最高重复频率达100Hz，连续工作时间可以高达3000小时，可以在很多场合直接替代气体火花开关。目前，氢闸流管已广泛应用于科研、军事、医疗和工业等领域7-10。由于技术和经济因素的制约，工作电压高于50kV的氢闸流管成熟产品国内基本无法生产，而此类进口产品价格昂贵且由于
10、诸多原因申购手续繁复。但35kV及以下的产品国内不但技术较成熟、性能较稳定、部分产品重复工作频率可达200Hz，而且相比于国外同类产品价格低廉。通过对中小功率的氢闸流管的感应叠加输出关键技术的研究，可以为实现大功率、高重复频率、快上升沿的脉冲功率源的研制提供一条新的技术途径，同时也为使用大功率氢闸流管获得超高功率的重频脉冲源的进一步的研究积累经验，提供借鉴。1 感应叠加感应叠加是利用感应隔离原理实现电压及功率的叠加。其初、次级回路均采用单匝绕制，各驱动单元为并联关系，因此响应频率高，工作安全稳定，其输出脉冲前沿可以达到纳秒级甚至更快，是一种在不影响脉冲前沿的基础上提高输出电压、功率和重复频率的
11、有效途径。被广泛应用于闪光照相、惯性约束聚变、高功率粒子束等领域，国内外均对该技术进行了大量的研究11-15。感应叠加技术的电路拓扑如图4所示（图中只画出了2级叠加）。图4 感应叠加拓扑图Fig.4 the system of inductive-adder易知，图4的输出方式在负载上获得的脉冲电压等于初级两个放电回路输出脉冲电压叠加之和，由此可见，采用不同级数的感应叠加的输出方式后，选用氢闸流管峰值阳极电压要求可以成倍降低，如选用33kV的峰值阳极电压氢闸流管，理论上只用2级即可满足输出电压60kV以上的要求。采用感应叠加输出的方式还有如下优点：（1）系统放电回路完全实现物理上的隔离，减少了
12、连续放电干扰。（2）减轻了充电电源及部分裸露导线联接部分的电晕放电，增加充电电源的可靠性。由于感应叠加单元输出为1:1的脉冲变压器，因此可以按照普通脉冲变压器理论中的T型结构，将次级回路参数折算到初级回路对单个单元进行分析。由于参数较多，严格求解将变得非常困难。因此，我们根据各参数在脉冲不同阶段影响的重要程度分别对脉冲的上升前沿和后沿两个阶段做简化等效电路分析。1.1感应单元对脉冲上升沿的影响图5所示为脉冲上升期间感应单元简化后的等效电路。其中Z为馈源阻抗，Ls为感应单元总的漏感，Cs为感应单元总的分布电容，Rd为负载。图5 脉冲上升期间感应单元的等效电路Fig.5 Equivalent ci
13、rcuit of the inductive cell假定信号电压的幅值为2U0，上升时间为tr，则脉冲可表示为对上式进行Laplace变换，得到则Rd上的电压可表示为其中，T为时间常数，k为阻尼系数。当k1（过阻尼情况）时，负载电阻R上的电压降为双指数脉冲波形。即其中，由上面的计算结果可以看出，k、T均会对波形前沿产生较大的影响，k越接近于1，T越小，则波形的畸变越小。2.2感应单元对脉冲下降沿的影响脉冲电压结束后，由于杂散电感和分布电容等杂散参数以及各种非线性元件的影响，感应单元内会产生复杂的振荡，其简化等效电路如图6所示。图6 脉冲结束时感应单元的等效电路Fig.6 Equivalent
14、 circuit of the inductive cell由Laplace变换可得到图6所示的负载上电压表达式为进一步化简得到其中，为阻尼系数，与脉冲前沿的分析类似，当1时负载上的电压可表示为可以看出，阻尼系数越大，后沿越陡。由前面的分析可知，输出双指数波形实际上是RLC振荡电路产生，电流上升时间。若要缩短上升时间，必须减小LC乘积。而工程上常用的通过优化开关、电容器及回路设计来减小电感近极限且潜力甚小；在保证一定的储能，同时不提高充电电压的前提下，电容C不能太小。当电容充电至电压U时，通过开关放电，假设电容器的电感为LC，开关电感为LS，则上升时间为：。将C均分为n等份，每个小电容容量为，
15、每个电容通过独立的开关放电。忽略开关火花通道电感随电流大小的变化，假定仍为LS，则上升时间为：，此时电容上总的储能能量未变，而上升时间则减小为原来的。2. 重频脉冲与单脉冲频谱分析图1所示的电路可以获得双指数波形，图中L为回路分布电感，包括连线电感、开关导通电感等，R为负载电阻或阻抗，C为储能电容，K为开关.图1 双指数波获取电路Fig.1 The circuit of condenser discharge pulse generator.图2仿真双指数脉冲波形Fig.2 The simulation of condenser discharge pulse为方便起见，我们仅考虑单脉冲或先导脉冲的后沿足够小（小于10%）时才存在后续脉冲的情形，在这种情况下，当开关K在t =0时刻接通。电容器C的端电压及电流方程为:(1)在初始条件为：， ，求解可得负载电压为： (3)其中： 当时，负载电阻R上的电压降为双指数脉冲波形，MATLAB计算仿真如图2所示，对进行傅里叶变换可得： (4)傅里叶变换后的频谱图如图3(a)所示，几乎接近于函数的均匀谱，这是可以理解的，因为对于前沿很陡的双指数波本身接近函数。对于一连串的相同双指数脉冲，其相邻间脉冲前沿相距为T时（先导脉冲的10%后沿时间远小于T），傅里叶变换为： (5)由式(5)可以看出，当时：
